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      射頻連接器大幅增長 5G時代將迎來新挑戰

      發布時間:2016-06-27 09:32:51    瀏覽次數:

      表面上來看,RF和微波連接器相對于那些高調的同類產品而言似乎不太重要。無論高調與否,用于無線通信應用的RF連接器由于下面一些原因正轉型成為關注焦點:尺寸和重量的減小、更佳的整體性能、易于安裝,最后但同樣重要的是降低了RF信號生成時產生的不良副作用,即連接器通常會引起的無源互調失真(PIM)。

      現在,在歷經數代RF工程師和技術人員使用同類型的連接器后,全新類別的連接器已呼之欲出,將替換掉基站、小蜂窩、分布式天線系統以及WiFi熱點等應用中的連接器。簡而言之,即如RF連接器行業領域的市場分析師所證實,此行業將呈大幅增長趨勢。

      據Bishop & Associates分析師統計,全球RF連接器市場規模已超出三十億美元,并自2002年起以平均每年10.8%的速率增長,這主要得益于無線通信、防御系統及電信和數據通信市場的推動。其高速增長的一個最大驅動因素是減小尺寸的需求,不僅是小型電池供電類設備,還涉及汽車和醫 療等多個應用領域。EJL Wireless($103.3600) Research也在研究連接器市場,其預期廣泛普及的7/16 DIN接口用戶數量仍會持續增長,而新型4.1-9.5接口和4.3-10連接器分別在北美與歐洲和很多其他國家或地區被普遍接受。本文稍后還將詳細介紹這兩類連接器。

      了解數年來一直能提供出色RF服務和微波應用的N型和7/16 DIN等連接器將在未來被這些新型連接器大幅取代的具體原因,將有助于理解無線載體今天所面臨的挑戰以及他們深信有必要大規模替換傳統連接器的原因。

      尺寸問題

      RF連接器可能很小,但如果將足夠多數量的連接器放在一起,正如在基站中一樣,就會發現這些連接器以及其配套的電纜配件將構成一個網絡,并廣為接受。因此,如果可以在提高性能、簡化安裝并減少可能的人為錯誤的同時減小連接器的尺寸,便有了充分的更換理由。這些因素以及降低PIM都很可能會導致微基站和小蜂窩中的N型和7/16 DIN等熟悉的連接器類型被更小的新型連接器幾乎甚至是大幅替代,而這一過程已經開始。

      多數元件在不斷減小連接器尺寸后能用于背板,這對于空間有限的應用非常重要。但即使這些連接器可能已足夠小,可對于需要擁擠的設備掩體能提供更大空間的無線載體而言,顯然還是不夠。此外,諸如高清視頻等需要高數據速率的應用需要較大的帶寬,這也是連接器所必需適應的。

      分布式天線系統(DAS)還是大量數字、光纖與RF連接器的主機,在大型安裝中,這些連接器組合在一起可能會超過100個。要全部替換通過同軸電纜只傳送RF信號的現有模擬DAS系統中的連接器,這是不可行的,然而值得慶幸的是這個領域發展很快,因此在價格適當的情況下全新的首次安裝可能會采用最新連接器。電纜和電信公司已將數十萬的Wi-Fi熱點部署為客戶增值服務,可能會成為較小的新型備選連接器。另一可能受益于較小連接器的領域為便攜式RF測試設備這一不斷成長的大型市場,這些設備除了要求小尺寸和高性能,還需要堅固的連接器設計,才能滿足惡劣的現場使用條件。

      PIM的危害

      無源互調失真(PIM)是當今無線載體所面臨的最可能的毀滅性弊端之一。PIM不僅來源多樣化,而且要找到并修復此問題也是一項極其困難且耗時的工作。但隨著載體的數據速率越來越高,以及持續使用OFDM等高階調制機制,PIM不僅有必要而且必須消除。如果只想說明PIM可能會造成的問題的嚴重程度,不妨設想下上行線路1 dB 的靈敏度損失將造成覆蓋區域下降11%的情形。了解PIM有助于精確的掌握其本質,因PIM為互調失真(IMD)的一種,所以最好從互調失真這一大類開始。

      IMD與有源電子器件的非線性性能直接相關。當對2個或更多不同頻率的信號進行幅值調制時,會在多個頻率產生不同的互調產物,不僅是基頻諧波,還有頻率之和與差及這些差/和頻率的乘積。這些非預期輻射會干擾相鄰通道,甚至是其他以鄰近頻率工作的服務。

      即使這些信號的強度可能很低,但數字調制的數據通信系統對于非線性度也極為敏感。PIM降低了信號干擾比,并限制了覆蓋區域、帶寬以及容量,因此應隨時隨地盡可能最大限度的消除。近期對無線載體進行了一項假設,即減少-150 dBc的PIM是可接受的,但有跡象表明可能需要降低-160 dBc或更多。這不僅對連接器和其他傳輸線元件制造商提出了挑戰,還幾乎達到了當前PIM測試設備的測量限制。

      與其他互調產物不同,PIM是由電纜、連接器、天線及其他許多不同尋常來源的無源器件在兩個或更多高功率信號的相互作用下產生的。異種金屬接點、被腐蝕金屬表面、金屬氧化物接點或其他位置產生信號的混頻,即可產生上述之相當高級別的諧波與寄生信號。

      很多情況下,PIM可能是由因沖擊或震動導致過緊或松散的連接器、中心線未正確對齊的連接器或暴露于灰塵、污跡或潮濕環境下的連接器所產生的。因基站中有很多位置會產生PIM,想查出問題所在可能非常困難且耗時較長。

      PIM除由電子元件本身產生外,還來源于生銹螺栓、信號路徑中以諧波和其他頻率重新輻射基頻信號的天線、屋頂防雨板、通風管、張索以及基本上任何可以生銹和接觸其他金屬的金屬等等。數十年來由于海水的作用,PIM問題一直是困擾船舶的因素,將其形象地稱為“銹螺栓效應”。

      如何拯救連接器

      幸運的是,連接器制造商已有能力應對生產連接器的挑戰,這些連接器不僅需要更小、更輕、易于安裝且不宜發生人為錯誤,而且還具有高抗PIM性能?偟膩碚f有3種在RF連接器市場占據一席之地的新型連接器,其中兩種的應用場合相同,另一種用于滿足背板中較小且高性能連接器的需求。

      4.1-9.5迷你DIN連接器:此新型連接器設計用于無線結構應用,采用了與7-16 DIN型連接器類似的機械設計,但具有優于N型連接器的性能。已有多家制造商為其提供了適配器,用作4.1-9.5迷你DIN連接器與7-16 DIN連接器的中間轉換步驟,便于電纜、天線或測試設備與此新接口相連。

      4.1-9.5迷你DIN連接器直徑為9.5 mm,具有引腳數為3至9的多種型號。每種型號采用的配接方式是:一種型號的插頭不能與其他型號的任何插座配接。這7款迷你DIN連接器彼此互不相同,即在引腳分配、方鍵尺寸和位置或圓形屏蔽金屬裙邊缺口和金屬配件方面均無相似之處,因此都是官方正式版。

      4.3-10連接器:此類型連接器由Rosenberger、Huber &Suhner、Spinner以及Telegartner所創建,是4.1-9.5迷你DIN連接器的競爭產品。4.3-10連接器具有出色的電氣性能和極低的PIM,而與所施加的扭矩無關。該連接器的電氣平面與機械平面是獨立的,從而允許施加較小的耦合扭矩。采用了螺口式、手動螺旋以及快速鎖定耦合機制,相較于7/16 DIN連接器尺寸縮小了40%,重量減輕了60%,而且4.3-10插座可與所有類型的插頭進行插配。在2 GHz頻率下具有高達500W CW的處理能力。

      1.0/2.3連接器:DIN 1.0/2.3 RF連接器具有50Ω和75Ω的阻抗,采用推挽式鎖扣和釋放功能,設計用于空間有限的應用中。有些50Ω型連接器可工作在高至10 GHz的頻率下。采用Molex連接器的模塊化背板系統簡化了板到板應用中RF信號的路由操作。模塊化背板采用可容納2至10個端口的支撐架外殼,使得視 頻、商業廣播和電信行業的電路板開發人員能夠在配接板間傳送多個RF信號,并具有1 mm的軸向定位容差。

      N 型、7/16 DIN以及4.1-9.5新型連接器的機械和電氣差異有些微妙。例如,4.1-9.5連接器并不比N型連接器小,而7/16 DIN連接器甚至還更大。N型連接器在需要較少扭矩方面明顯優于其他連接器。所有這3種連接器在2 GHz時具有的處理能力遠高于商業無線(不含防御)應用的要求。

      所有這些連接器(甚至包括7/16 DIN)的工作頻率高于或遠高于任何當前或新興無線頻段,并具有極佳的回損(VSWR)-- 幾乎是完美搭配。7/16 DIN連接器具有出色的抗PIM能力,與4.1-9.5不分上下,但優于N型連接器。新型4.1-9.5連接器的重要性在于其足夠強大,需要的扭矩低于7/16 DIN,但卻擁有相同的抗PIM能力,同時具有與N型連接器一樣小的凸緣,因此需要的扭矩介于其他兩者之間,且不會在受到沖擊和震動(產生PIM的主要來源)時松脫。

      參數N型7/16 DIN4.1-9.5迷你DIN
      工作頻率(GHz)188.314
      互調(dBc)-155-165-165
      2GHz時的RF功率處理能力(W)70012001000
      回損(dB)26高達32高達30
      凸緣尺寸25.43225.4
      所需扭矩(ft. lb.)2.5188
      強度最高

      表1 – 連接器規范

      總結

      顯然N型或7/16 DIN連接器并無任何過錯,且因每款連接器都各有優缺點,也一直用于商業、工業、醫療,尤其是防御應用中,這些應用中的線性度不像通信行業中一樣直至近期也還是一個問題。但是,無線載體未來的發展趨勢大好,可能會需要數據速率達到1 Gb/s、帶寬超過100 MHz、必須采用一切可行方式得到的極低PIM以及需要減少尺寸和重量。綜合這些因素可知有必要向新連接器轉型,以應對目前及未來之需求。1.0/2.3 連接器平臺以非常小的尺寸提供了非常高的性能、低PIM以及高工作頻率,堪稱背板應用的理想之選。

      然而,下一代5G無線通信因期望使用60 GHz的頻率,將為連接器制造商帶來全新的挑戰。目前,波導管和超小連接器占據著此市場,這些元件在安裝需要非常謹慎,且非常昂貴,而牢固度過低以致無法用于現場,至少就目前開發狀態來說。由此可知連接器制造商無時無刻不面臨著新設計挑戰。

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